虚拟技术在建筑工程机械设计中的应用解析

摘 要：虚拟技术作为新兴技术，应用于建筑工程机械设计，可更加直观、立体的观看建筑呈现效果，为建筑人员创造丰富的想象空间，提升设计效率，节约设计时间。本文主要例举筑工程中反铲载机的设计过程，概述虚拟技术在产品设计、制造过程中发挥的作用以及具体步骤的应用，为建筑设计朝着高质量方向发展保驾护航。

关键词：虚拟技术;建筑工程机械设计;应用解析

一、虚拟技术概述

虚拟技术又被叫做VR技术，该技术改变了传统设计信息的静态输送，通过图形交互技术，在传感器以及人工智能硬件设备的帮助下，将合成的三维空间形象设计转化为图表以及动画，带来听觉、视觉、触觉感受盛宴。目前，虚拟技术所呈现出的特性包含三点：一是交互性。通过专用设备操作且模拟现实环境，从而能够实时获取环境反馈程度;二是构想性，指的是在虚拟技术所合成的模拟环境中，能够帮助人寻找理性的新意以及认知，信息接收变被动为主动，创新且积极探索行业实际问题，并在VR技术的助力下得已解决;三是沉浸性。虚拟技术可以真实的模拟现实环境，给人一种真实的沉浸式感受[1]。

二、虚拟技术在建筑工程机械设计中的作用

（一）涵盖建筑工程机械的全部信息

传统的筑工程机械功能方案设计形式，涵盖文字、图片、模型、三维动画等四种呈现方式，其中前三个展现形式趋于静态，只能片面观察计算方案的局部，不能带来全方位的视觉体验。而后者的三维动画尽管可以动态的呈现数据模型，但在方案修改方面，无法实现实时交互性，人们只能被动式接受重新核算数据，在设计过程会忽略掉现实实际问题的考量。虚拟技术的出现，将建筑工程机械设计推向高峰。通过CAD三维数据建造虚拟的三维环境，实现动态交互性。当进入虚拟环境后，可自由操控浏览路线，切换运动模式、环境效果场景、设计方案，并全面预览并精细观察工程机械内部信息[2]。

（二）实时多方案比较

机械产品设计采用虚拟技术，设计人員可通过虚拟空间，进行不同方案的设计、切换以及方案的局部修改，降低劳动强度，在有限时间内实时感受不同方案在实际应用中的优势与劣势，多组合排列，从而决策出最优的设计方案，以有限的成本获取优质的设计质量[3]。

（三）实时修改

虚拟技术中的CAD 技术可以模拟实际模型，设计人员通过观察成品模型可以及时更正错误，完善方案。避免成品制造后投入市场所带来的经济损失。同时，工程师可以进入设计产品的世界，对产品内部构造、尺度、声音等进行近距离的感受观察，对于客户提出的改进问题，也可以实时快捷修改设计数据，完善设计方案[4]。

（四）降低项目投资成本

虚拟技术可以100%还原现实建筑设计，无论是设计者还是客户，都可以结合设计方案对模拟模型展开修改、验证、浏览等工作，在此过程中节省成品模型的制作成本、返修费用、产品运行费用以及用户投资成本，实现合作双方利益的最大化，并最终得到满意的产品。

三、虚拟技术在建筑工程机械设计中的应用

（一）构造虚拟产品系统框架

虚拟现实系统框架的组成包含两大部分。一是软件，二是硬件。首先，WTK三维虚拟现实开发软件，支持鼠标、6个自由度输入设备、跟踪定位式的头戴式立体显示器等各种虚拟现实输入、输出工具设备的连接，建立实时的三维图形应用系统;其次，硬件主要设备包含立体发声器、跟踪输入到主用程序信息的位置和方向的计算机图形系统、显示器、位置。方向跟踪器、三位输入装置等内部构造[5]。

（二）初步设计阶段

在反铲载机产品设计的初步阶段，需要参照工程图建立初级的实体运动模型。实体模型需设置的内容包含连杆，运动副，物件库以及方法库两大模块，同时还包含恒定驱动，关节运动驱动，运动函数等在内的5大运动驱动类型。其中，以实体打造物件库模块那零部件的尺寸型号以及相关的属性信息并进行存储，会造成空间时间以及人力物力的浪费，但是通过虚拟CAD计数中的ADS便可以打造虚拟物件库模块参数化造型;方法库模块存储过往的经验数据，机械产品设计步骤准则等相关数据信息，一方面用户可以在方法库模块，检索设计类型等相关参数性关键词，系统一自动或半自动，两种不同的方式生成设计方案。另一方面通过VC++5.0编制机械产品的交互式非标准设计[6]。

（三）建模仿真阶段

反铲载机内部构造零部件约计1000多个，且每个零部件都具有不同的造型和结构。但是在建模仿真阶段，零部件三维实体造型的仿真，可以参照以下步骤进行三维造型的建模。第1步采用参数化建模方法绘制模型的初步草图，可以有效的防止设计变形，同时便于及时修改不合理的零件尺寸以及结构;第2步进行零件三维模型的建模。但是在该过程当中需要参考不同零部件的特征以及附加特性，构建不同的零件三维模型;第3步，按照零部件之间的功能关联以及罗列顺序对零件进行装配，完成整机装配仿真过程。

（四）虚拟系统技术路线

运用 WTK虚拟开发软件以及图形库，开发并创建产品的虚拟开发环境。其中虚拟开发环境的创建层次需要由高到低实现。低层次虚拟开发环境可调用WTK R9中VRML2现实语言得以创建，而通过与Ob j etARX可实现高层次虚拟环境的集成开发和创建。通过借助C语言函数等相关工具实现产品装载文件几何对象、虚拟产品设备实例等相关功能。CAD系统可以完成产品几何对象的建模并运用 dxf 等存储对象文件[7]。

（五）虚拟环境下VTML与CAD集成

CD系统可以将CAD数据模型转化为VRML格式的虚拟场景，实现场景的360度，无死角可视化以及可编辑性。设计者可不受空间的限制，虚拟操作反铲载机操作杆以及其他部件，以防出现视野死角，造成制造样机时间和费用的浪费。除此之外，VRML2.0格式的产品交互式三维图形程序，可以定义虚拟机器的部件形状、声音、力学性质等特性，同时计算虚拟机器的应力、强度、高度等数据并实现结果的可视化。

四、结论

综上所述，虚拟技术应用于建筑工程机械设计过程，无论是产品的初级设计阶段，还是产品最终制造阶段，都对机械产品的创新以及实际投入使用创造了重要价值。虚拟技术有着非常广阔的发展前景，因此未来工程机械设计的发展，将会逐渐重视虚拟技术。目前，尽管虚拟技术处于初级起步阶段，技术的熟练度以及相应设备还不够健全，但是相信随着科技的发展以及新兴技术的出现，将会使虚拟技术不断得以开发和完善，为建筑工程机械行业的发展保驾护航。

参考文献：

[1]徐志，汪洪波. 现代机械工程设计中的虚拟制造技术探讨[J].建筑工程技术与设计，2017（21）：4121.

[2]张小亚.浅谈虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用[J].企业导报，2011（16）：276-277. [3]朱和鲲.浅谈虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用[J].科技与创新，2015（16）：140.

[4]罗亮.浅论虚拟样机技术在机械设计中的应用[J].华东科技：学术版，2013（4）：323.

[5]罗卓杰. 虚拟样机技术在农业机械设计中的应用[J].南方农机，2018，49（24）：76，78.

[6]董晨，徐艳. 浅析虚拟样机技术在农业机械设计中的应用[J].南方农机，2018，49（17）：63.

[7]周鑫. 基于虚拟工程设计的数控机床工业设计研究[D].西安电子科技大学，2018.

作者简介：郑森（1983-），女，汉族，吉林省长春市人，博士，任职于吉林建筑大学，讲师，研究方向：工程机械设计。